DE2951245C2

DE2951245C2 - Taktsignalverteilungsschaltung

Info

Publication number: DE2951245C2
Application number: DE2951245A
Authority: DE
Inventors: Tatsuro Kawasaki Kanagawa Yoshimura
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1978-12-20
Filing date: 1979-12-19
Publication date: 1982-06-03
Also published as: DE2951245A1; US4337433A; JPS5583913A; JPS5921045B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Taktsignalverteilungsschaltung in einer digitalen elektronischen Vorrichtung, insbesondere in einem Groß-Schnellrechner.

Die Arbeitsgeschwindigkeit von digitalen elektronischen Vorrichtungen wird laufend erhöht und derzeit ist es erforderlich, daß die Periode eines Taktsignals kleiner als 10 ns und die Impulsbreite im Bereich von 1 bis 2 ns sind. Die Phasendifferenz zwischen Taktsignalen, die zu jeweiligen Schaltungen verteilt werden, muß folglich mit einer Genauigkeit von weniger als 1 ns eingestellt werden.

Bekannte Taktsignalverteilungsschaltungsanordnun-

gen erhöhen lediglich die Zahl der Ableitungen eines Eingangstaktsignals und verteilen diese, d. h. eine Taktimpulswellenform (Periode und Impulsbreite), die in jeder Lastschaltung erforderlich ist, wird durch eine Taktquelle erzeugt und durch eine Verteilungsschaltung in mehrere Signale aufgeteilt, die jeweils direkt an eine

ίο als Last verwendete Schaltung, beispielsweise einen Flip-Flop-Kreis, eine Verriegelungsschaltung od. dgl.

angelegt werden.

Es ist auch eine Taktgeberschaltung bekannt, bei der

Verzögerungszeit-Änderungseinrichtungen so angeordnet sind, daß ein Signal an deren Ausgangsanschluß eine entgegengesetzte Phase zu einem Signal an deren Eingangsanschluß hat (DE-OS 27 23 707).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine

TaktverteilungsschtJtung für Taktsignale mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit zu schaffen, die eine leichte Phaseneinstellung der Taktsignale mit genauer Impulsbreite ermöglicht

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Ausbildung führt dazu, daß der Ausgang der Taktsignalverteilungsschaltung auf deren Eingang mittels einer Leitung vorgegebener Länge in der Weise rückgekoppelt wird, daß aufgrund der entsprechenden Amplituden- und Phasenbedingungen, die sich aus der eingestellten Verzögerungszeit und der rückkoppelnden Leitung vorgegebener Länge ergeben, eine Schwingung einer bestimmten Frequenz entsteht.

Die Frequenzmessung durch einen Zähler kann genau in der Größenordnung von Nanosekunden ausgeführt werden und die Frequenz wird in digitaler Form angezeigt, so daß die Phaseneinstellung einfach ist.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird

ein Taktimpuls auf der Übertragungsleitung in eine Wellenform mit einem Tastverhältnis von 50% geformt, wodurch verhindert wird, daß der Impuls verschwindet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist in der Nähe einer Lastschaltung eine Zerhackerschaltung zum Verringern der Impulsbreite eines Taktsignals auf einen geforderten geringen Wert vorgesehen, wodurch der Einfluß der Unscharfe der Wellenform auf der Übertragungsleitung verhindert wird. Zum Verringern der Periode des Taktimpulses kann des weiteren ein Frequenzmultiplizierer in der Nähe der Lastschaltung vorgesehen werden.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand der Zeichnung beschrieben, in der sind

F i g. t ein Blockschaltbild des Aufbaus einer gedruckten Schaltungsplatte einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 ein Schaltbild eines Teils eines Last-LSI in der Ausführungsform der Fig. 1,

Fig.3A ein Schaltbild eines weiteren Beispiels eines Teils des Last-LSI gemäß der Erfindung,
Fig.3B eine Darstellung einer Reihe von Wellenformen, die an bestimmten Teilen in F i g. 3A auftreten,

F i g. 4 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Phaseneinstellverfahrens der Erfindung und

Fig. 5 eine Darstellung von Bildern, die auf der Anzeigefläche eines Oszilloskops bei einem bekannten Phaseneinstellverfahren auftreten.

Nach Fig. 1 ist eine gedruckte Schaltungsplatte 1 mit einer Mutterplatte 2 mittels Verbindern 3 verbunden.

Auf der gedruckten Schaltungsplatte 1 ist eine Anzahl von integrierten Lastschaltungselementen (LSI) 4 angeordnet und in der Mitte der Platte 1 ist ein Taktverteilungs-LSI 5 zum Verteilen von Taktsignaien auf die LSI 4 über gedruckte Drähte dei selben Länge vorgesehen. Der Taktverteilungs-LSI 5 wird mit einem Taktsignal von einer Taktquelle 7 Ober die Mutterplatte 2, einen Verbinderanschluß 31 und einen gedruckten Draht 8 gespeist Von dem Taktverieilungs-LSI 5 wird auch ein Taktsignal zu einem Verbinder 32 der Mutterplaite 2 über einen gedruckten Draht 9 verteilt Dieses Taktsignal wird für die später zu beschreibende Phaseneinstellung verwendet

Wenn die Impulsbreite des Taktsignals kleiner als einige Nanosekunden ist, ist es aufgrund der Unscharfe seiner Wellenform schwierig, das Taktsignal zu übertragen, während seine Impulsbreite über die Übertragungsleitung von der Taktquelle 7 zu jedem Last-LSI 4 genau gehalten wird. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung da* Tastverhältnis des Impulses von der Taktquelle mit etwa 50% ausgewählt und eine Zerhackerschaltung ist in jedem Last-LSI 4 vorgesehen, durch welche die Impulsbreite auf einen gewünschten Wert gebracht wird. Das Taktsignal wird dann an jede Verriegelungsschaltung des Last-LSI 4 angelegt.

In Fig.2 bezeichnet 10 eine Zerhackerschaltung, 11 Verriegelungsschaltungen, 12 bis 14 NOR-Gates (Inverter) mit einem Eingang und 15 eine NOR-Schaltung mit zwei Eingängen. Die Zerhackerschaltung 10 erzeugt jo vom Zeitpunkt des Abfalls eines Taktsignals, das an einen Takteingangsanschluß angelegt wird, einen positiven Impuls, dessen Impulsbreite gleich der Summe der Verzögerungszeiten von drei NOR-Gateschaltungen 12 bis 14 ist

Wenn Anstiegs- und Abfallsverzögerungen eines Signals auf der Übertragungsleitung (Kabel oder gedruckter Draht) oder in der Gateschaltung der Verteilungsschaltung einander gleich sind oder als Ganzes gleichförmig verteilt sind, obwohl sie für jeden Teil nicht gleich sind, sollte sich die Impulsbreite nicht ändern. Bei Teilen und Elementen tritt jedoch in der Praxis eine Streuung ihrer Eigenschaften auf. Wenn die Streuung der Verzögerung im wesentlichen gleich der Impulsbreite ist können die Impulse in einem extremen Fall verschwinden. Dies kann gelöst werden, indem das Taktsignal mit einer ausreichenden Impulsbreite in der Nähe einer Tastperiode von 50% über die Übertragungsleitung übertragen wird und das Signal in eine gewünschte Impulsbreite in dem Last-LSI 4 geformt jo wird, siehe F i g. 2.

Wenn ein Taktsignal mit hoher Geschwindigkeit erforderlich ist, kann dies erreicht werden, indem das Taktsignal in dem Last-LSI 4 frequenzmultipiiziert. wird, wie dies in F i g. 3A gezeigt ist Gemäß F i g. 3Λ wird ein Signal von einem Eingangsanschluß A durch ein ODER-NOR-Gate 41 in ein Signal mit positiver Phase und ein Signal mit negativer Phase geteilt, die jeweils den Zerhackerschaltungen 42 und 43 über Anschlüsse B und C zugeführt werden. Die Zerhackerschaltungen 42 to und 43 sind im Aufbau und im Betrieb identisch mit der in F i g. 2 gezeigten Zerhackerschaltung 10. Die von den Zerhackerschaltungen 42 und 43 an den Ausgangsanschlüssen D und E abgeleiteten Ausgangssignale werden an ein NOR-Gate 44 mit zwei Eingängen gegeben, um davon einen Impuls einer Frequenz abzuleiten, die doppelt so hoch wie die des Eingangssignals an dem Eingangsanscnluß A ist. Die Impulsbreite ist gleich der Verzögerungszeit der drei Stufen der NOR-Gates. Die an den jeweiligen Teilen der Schaltung der F i g. 3A auftretenden Wellenformen sind in F i g. 3B gezeigt

F i g. 4 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Einstellen der Phase des Taktsignals. Unter Bezugnahme auf Fig.4 wird der Vorgang beschrieben, durch den die Verzögerungszeit der gedruckten Schaltungsplatte 1 von dem Verbinderanschluß 31 zu dem Verbinderanschluß 32 über den Taktverteilungs-LSI 5 und den gedruckten Draht 9 so eingestellt wird, daß sie gleich einem bestimmten Wert ist Gemäß F i g. 4 dient eine Mutterplatte 2' allein für die Phaseneinstellung, die sich von der in F i g. 1 gezeigten Mutterplatte 2 unterscheidet Auf der Platte 2' ist ein gedruckter Draht 25 gebildet 16 bis 24 sind NOR-Gateschaltungen mit einem Eingang. Die NOR-Gates 18 bis 24 sind in der Form von Bäumen verbunden, so daß die Zahl der Zweige erhöht wird. Die Zahlen der zwischen den Eingangsanschluß und die jeweiligen Ausgangsanschlüsse geschalteten NOR-Gates sind alle ungerade, so daß die Ausgangssignale in der Phase gegenüber dem Eingangssignal umgekehrt sein können. Wenn die gedruckte Schaltungsplatte 1 mit einem solchen Taktverteilungs-LSI 5 mit der Mutterplatte 2' zur Phaseneinstellung verbunden ist, werden Eingangs- und Ausgangsanschlüsse des Taktverteilungs-LSI 5 durch den gedruckten Draht 25 der Mutterplatte 2' über die gedruckten Drähte 8 und 9 der gedruckten Schaltungsplatte 1 kurzgeschlossen, worauf eine Schwingung entsteht Die Summe der Impulsanstiegs- und -abfallsverzögerungszeiten der schleifenförmigen Übertragungsleitung ist die Schwingungsperiode. Da der Taktverteilungs-LSI 5 durch NOR-Gateschaltungen desselben Aufbaus gebildet ist, sind die Anstiegsverzögerung und die Abfallverzögerung als Ganzes im wesentlichen zueinander gleich. Wenn demgemäß der Kehrwert dieser Schwingungsfrequenz erhalten wird, kann die Summe der Anstiegs- und Abfallverzögerungszeiten der oben erwähnten schleifenförmigen Übertragungsleitung als Schwingungsperiode erhalten werden. Da die Anstiegs- und Abfallverzögerungen aber im wesentlichen als Ganzes gleich sind, wird die Anstiegs- oder Abfallverzögerungszeit der schleifenförmigen Übertragungsleitung als '/2 der oben erwähnten Schwingungsperiode erhalten.

27 bezeichnet einen Frequenzzähler zum Messen der Schwingungsfrequenz von dem gedruckten Draht 6 mittels eines Hochimpedanztasters 28. In diesem Falle besteht die Gefahr, daß beim Verbinden des Tasters 28 mit dem gedruckten Draht 9 eine Streukapazität hinzugefügt wird, welche die Frequenz stört. Wenn die Verzögerungszeit durch den gedruckten Draht 9 vorbekannt ist, kann die Verzögerungszeit von dem Verbinderanschluß 31 zum Anschluß 32 über den Taktverteilungs-LSI 5 erhalten werden, indem die vorbekannte Verzögerungszeit von der Hälfte des Kehrwerts der Frequenz subtrahiert wird.

Die vorstehende Ausführungsform wird nun in der Anwendung bei einer üblichen Verzögerungszeitmessung unter Verwendung eines zweikanaligen Oszilloskops beschrieben. Der Ausgangsanschluß der Taktquelle 7 und der Punkt, an dem eine Verzögerung gemessen werden soll, beispielsweise der Eingang des Last-LSI 4 in F i g. 1 oder der Verbinderanschluß 32 in F1 g. 4, werden jeweils mit den Eingängen des zweikanaligen Oszilloskops über Kabel mit derselben Verzögerungszeit verbunden. In diesem Fall werden Bilder, wie sie in F i g. 5 gezeigt sind, auf der

Anzeigefläche des Oszilloskops angezeigt. In Fig.5 bezeichnet 51 die Anzeigefläche des Oszilloskops. 52 bezeichnet eine Zeitskala, deren totale Länge 20 ns entspricht und deren minimaler Skalenwert 400 ps (= 20 ns/50) entspricht. 53 ist ein Bild, das den Anstieg eines Impulses des von dem Anschluß der Taktquelle 7 abgegebenen Eingangssignals zeigt. 54 bezeichnet ein Bild, das den Anstieg eines Impulses des Eingangssignals zeigt, der von dem Punkt angelegt wird, an dem eine Verzögerung gemessen werden soll. Die Verzögerungszeit kann aus der Teilung der Zeitskala 52 erhalten werden. Die Genauigkeit der Messung beträgt 400 ps entsprechend dem minimalen Skalenwert, d. h. etwa ± 200 ps. Im Gegensatz dazu wird bei der vorliegenden Erfindung die Schwingungsfrequenz gezählt und bei dieser Art des Frequenzzählers ist eine Genauigkeit von 10-⁶ in bezug auf 20 ns üblich. Demgemäß kann eine hohe Genauigkeit von 10~² ps erhalten werden. Bei der üblichen Messung unter Verwendung eines Oszilloskops wird die Skalenteilung mit dem bloßen Auge gelesen und folglich ist der Wirkungsgrad der Messung niedrig. Bei der vorliegenden Erfindung wird dagegen das Zählerausgangssignal in digitaler Form angezeigt und kann leicht gelesen werden, was einen erhöhten Wirkungsgrad der Messung ergibt.

Im Fall der Einstellung der Verzögerungszeit von dem Verbinderanschluß 31 zu dem Anschluß 32 über den Taktverteilungs-LSI 5 auf einen gewünschten Wert wird die Verzögerungszeit auf einen Frequenzwert eingestellt, der dem gewünschten Wert entspricht.

Bei der Ausführungsform der Fig.4 wird die Verzögerungszeit durch Ändern der Länge eines diskreten Drahts 34 eingestellt, der in der Übertragungsleitung der Taktverteilungsschaltung vorgesehen ist. Das über den gedruckten Draht 8 an den Taktverteilungs-LSI 5 angelegte Taktsignal wird einmal, nachdem es über die NOR-Gates 16 und 17 gepuffert ist, an einen äußeren Stift abgegeben und wieder zu dem LSI 5 über den diskreten Draht 34 zurückgeführt, wonach es zu den in der Form von Bäumen geschalteten NOR-Gates gegeben wird. Der diskrete Draht 34 ist nicht ein gedruckter Leiter, sondern ist zwischen äußeren Stiften gespannt und kann in der Länge eingestellt werden. Falls die Länge des diskreten Drahts 34 groß gewählt ist, steigt die Verzögerungszeit entsprechend an. Die Einstellung der Verzögerungszeit ist nicht speziell auf die Methode unter Verwendung eines diskreten Drahts beschränkt Es ist vielmehr beispielsweise möglich, mehrere Reihenverbindungen von NOR-Gates verschiedener Stufen zwischen den NOR-Gates 17 und 18 vorzusehen und von der Außenseite zu bezeichnen, welcher von ihnen verwendet werden soll.

Der diskrete Draht 34 muß nicht immer von der Miiic der NOR-Gategruppe, wie in Fig.4 gezeigt ist, herausgeführt werden, sondern kann auch in der Mitte des gedruckten Drahts 8 des Eingangsteils des Taktverteilungs-LSI 5 vorgesehen werden, in welchem Falle zwei Stifte des Taktverteilungs-LSI 5 gespart werden können. Wenn mehrere Taktverteflungs-LSI 5 auf einer gedruckten Schaltungsplatte 1 angebracht sind, besteht, falls jeder Taktverteflungs-LSI 5 von dem gedruckten Draht 8 über einen diskreten Draht verzweigt ist, die Wahrscheinlichkeit, daß die Einstellung des ersten Taktverteflungs-LSI 5 gestört wird, wenn die Länge des zweiten diskreten Drahts zum Einstellen in bezug auf einen zweiten Taktverteilungs-LSI 5 nach der Einstellung der Länge des ersten diskreten Drahts in bezug auf einen ersten Taktverteilungs-LSI 5 geändert wird. Bei der parallelen Verwendung von mehreren Taktverteilungs-LSI 5 ist es demgemäß bevorzugt, das Eingangstaktsignal durch die NOR-Gates 16 und 17 zu puffern und dann an den diskreten Draht 34 anzulegen, Die Länge des gedruckten Drahts 9 muß nicht immer gleich der Länge des gedruckten Drahts 6 sein. Der gedruckte Draht 9 muß des weiteren nicht immer allein zum Einstellen verwendet werden, sondern kann auch für die

ίο Taktverteilung zu dem Last-LSI 4 verwendet werden. In diesem Fall ist es selbstverständlich, daß die Leitung von dem Ausgangsende des Taktverteilungs-LSI 5 zu dem Last-LSI 4 in der Länge gleich dem gedruckten Draht 6 ist.

Gemäß F i g. 1 sind mehrere gedruckte Schaltungsplatten 1 üblicherweise mit der Mutterplatte 2 verbunden. In einem solchen Fall sind jedoch alle Leitungen von der Taktquelle 7 zu den Verbinderanschlüssen 31 der gedruckten Schaltungsplatte 1 natürlich in der Länge gleich.

Beim Verbinden mit der Mutterplatte 2 ist der gedruckte Draht 9 durch einen Abschlußwiderstand R über den gedruckten Draht 26 und einen Verbinderanschluß 33 abgeschlossen.

Es ist auch möglich, mehrere der in F i g. 1 gezeigten Taktverteilungsanordnungen vorzusehen. Ein Taktsignal wird somit von der Taktquelle 7 an eine erste gedruckte Schaltungsplatte über die Mutterplatte 2 angelegt. Eine Taktverteilungsschaltung mit Zwischen platte ist in der ersten gedruckten Platte vorgesehen. Das Taktsignal wird auf mehrere zweite gedruckte Schaltungsplatten 1 über die Mutterplatte 2 verteilt. Daraufhin wird das Taktsignal durch die Taktverteilungsschaltung 5 jeder gedruckten Schaltungsplatte zu jedem Last-LSI4 wie im Falle der F i g. 1 verteilt. Hierbei haben die Leitungen von den jeweiligen Ausgangsenden der Taktverteilungsschaltung mit Zwischenplatte der ersten gedruckten Schaltungsplatte zu den Eingangsanschlüssen der jeweiligen zweiten ge druckten Schaltungsplatten dieselbe Länge. Das voran stehend unter Bezugnahme auf Fig.4 beschriebene Verfahren kann selbstverständlich auch zum Einstellen der Verzögerungszeit von dem Eingangsanschluß der ersten gedruckten Schaltungsplatte zu jedem Ausgangs anschluß verwendet werden.

Zusammenfassung

Eine Taktsignalverteilungsschaltung ist in ihrer Übertragungsleitung mit Verzögerungszeitverände rungseinrichtungen versehen und so angeordnet, daß ein Signal am Ausgangsanschluß der Übertragungsleitung in der Phase entgegengesetzt zu einem Signal an ihrem Eingangsar.schiuS ist. Beim Einstellen der Verzögerungszeit werden die Eingangs- und Ausgangs anschlüsse durch eine Leitung mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit kurzgeschlossen, um eine Schleife zu bilden, die eine Schwingung erzeugt Die Summe der Anstiegs- und Abfallverzögerungszeiten dieser schleifenförmigen Übertragungsleitung ist die Schwingungs- periode. Da die Anstiegsverzögerungszeit und die Abfallverzögerungszeit im wesentlichen über die gesamte Schleife einander gleich sind, wird die Verzögerungszeit der schleifenförmigen Übertragungsleitung als ¹Ii des .Kehrwerts der Schwingungsfrequenz

es (Schwingungsperiode) erhalten. Von der auf diese Weise erhaltenen Verzögerungszeit wird die Verzögerungszeit der kurzgeschlossenen Leitung subtrahiert, um die Verzögerungszeit zwischen den Eingangs- und

Claims

Patentansprüche:

1. Taktsignalverteilungsschaltung, bei der die Verzögerungszeit von einem Eingangsanschluß zu jeweiligen Ausgangsanschlüssen der Taktsignalverteilungsschaltung zum Verteilen eines Taktsignals von einer Taktsignalquelle zu mehreren Lastschaltungen auf einen gewünschtenWert eingestellt wird, wobei eine Verzögerungszeit-Änderungseinrichtung so angeordnet ist, daß ein Signal an deren Ausgangsanschluß eine entgegengesetzte Phase zu einem Signal an deren Eingangsanschluß hat, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Taktsignalverteilungsschaltung (5) ein oder mehrere NOR-Glieder mit je einem Eingang (16 bis 24) in Reihe zu der Verzögerungszeit-Änderungseinrichtung (34) geschaltet sind und daß bei der Einstellung der Verzögerungszeit die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse der Taktsignalverteilungsschaltung (5) durch eine Leitung (8, 9, 23, 26) mit einer vorbestimmten Verzögerungszeit kurzgeschlossen sind.

2. Schaltung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Frequenzzähler (27) zum Messer der Schwingungsfrequenz.

3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Tastverhältnis der Taktsignale etwa 50% beträgt.

4. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit-Änderungseinrichtung ein diskreter Draht (34) ist.

5. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit-Änderungseinrichtung in einem Eingangsleiterteil der Taktsignalverteilungsschaltung (5) vorgesehen ist.

6. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß cas Taktsignal von der Taktsignalquelle (7) an eine erste gedruckte Platte (1) über eine Mutterplatte (2, 2') angelegt ist, wobei die Taktsignalverteilungsschaltung (5) mit einer Zwischenplatte in der ersten gedruckten Schaltungsplatte vorgesehen ist und wobei das Taktsignal an mehrere weitere gedruckte Schaltungsplatten über die Mutterplatte verteilt wird.

7. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkreise (4) jeweils eine Zerhackerschaltung (12 bis 15) zum Formen eines empfangenen Taktsignals enthalten, um eine gewünschte Impulsbreite zu erhalten.

8. Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lastkreise jeweils einen Frequenzmultiplizierer zum Frequenzmultiplizieren eines empfangenen Taktsignals enthalten.